JP3332362B2 - 圧痕形成機構および硬さ試験機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧子により試料表
面に荷重を負荷して圧痕を形成させることに基づいて試
料の材料特性を評価する試験機に用いられる圧痕形成機
構、及びこの圧痕形成機構を備えた硬さ試験機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧子により試料表面に荷重を負荷
して圧痕を形成させることに基づいて、試料の材料特性
を評価する試験機として硬さ試験が知られている。この
従来の硬さ試験機における荷重負荷機構としては、例え
ば、図６に示したものが知られている。図６に示す硬さ
試験機１００は、いわゆるロックウェル硬さ試験機とい
われるもので、おもり１０１と、荷重アーム１０２と、
カム１０３と、荷重軸１０４と、圧子軸１０５と、圧子
１０６などからなる圧痕形成機構１１０を備えている。
この圧痕形成機構１１０によれば、所定のおもり１０１
が前記荷重アーム１０２の先端に吊され、カム１０３の
回転によって荷重アーム１０２が下がり、荷重軸１０４
に所定の荷重が作用する。そして、この荷重軸１０４に
作用した荷重は、圧子軸１０５を介して圧子１０６に伝
達され、この圧子１０６が下方に移動することにより、
試料台１０７に載置された試料に圧痕が形成されるよう
になっている。

【０００３】上記荷重負荷機構における荷重負荷制御で
は、所定の重さのおもり１０１を荷重アーム１０２に吊
すことにより行われていた。また、例えば、米国特許番
号５６１６８５７に記載された発明のように、試料に作
用する荷重を圧子と同軸上に配置させたロードセルで計
測し、計測した実際の荷重データと、設定荷重データと
を比較して、その比較した結果に基づいて、実際の荷重
を設定荷重に近づける荷重負荷制御も知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記お
もりによる荷重負荷制御では、圧痕形成中の荷重が設定
値通りに試料に作用しているかどうかを確認することが
出来ないという問題点があった。また、おもりで試料に
力を加えるため、ダンパー等により力の負荷速度を遅く
しないと、目標以上の力が発生するという、いわゆるオ
ーバーシュートが発生する。また、ダンパーを用いたと
しても小さなオーバーシュートを消すことは困難である
という問題点があった。

【０００５】一方、ロードセルを用いた荷重負荷制御の
場合には、圧痕形成中の荷重をほぼ設定値通りとするこ
とが出来るものの、ロードセルは荷重が負荷されると変
形するので、その分測定誤差が生じてしまうという問題
点があった。また、ロードセルは比較的高価なものなの
で、より安価で、且つ高精度の荷重負荷制御が出来る荷
重負荷機構のニーズもある。また、一般的なフィードバ
ック制御で行われるＰ制御では、目的の試験力付近での
エラーが残り、目的の試験力に到達できない。また、サ
ーボゲインを上げすぎると、オーバーシュートや発振の
問題が出る。通常このような現象をなくすためＰＩＤ制
御がなされる。このＰＩＤ制御は、積分要素を加え、実
質のサーボゲインを上げエラーが残らないようにし、微
分要素を加えてオーバーシュートを防ぐ手法である。し
かし、本硬さ試験機において、オーバーシュートは全く
許されず、また、エラーが残り目的の試験荷重に到達し
ないことも許されないので、適切なサーボゲインを決定
することは困難であるという問題点もあった。また、硬
さ試験機では、未知なる硬さの試料が試験されるので、
適当なサーボゲインは試料毎に異なるが、従来のサーボ
ゲインを固定した方法では、正確且つ迅速な硬さ試験を
行うことが困難であった。

【０００６】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、より安価で、且つ高精度の荷重負荷
制御が可能な圧痕形成機構、及びより安価で、且つ高精
度の荷重負荷制御が可能な硬さ試験機を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、例えば、図１〜４に示すよ
うに、試料表面に、圧子（３）により圧痕を形成させる
ことに基づいて試料の材料特性を測定する試験機に用い
られる圧痕形成機構（１０）であって、前記試料表面に
圧痕を形成させるための押圧力を圧子に作用させるため
の力を付与する力付与手段（６１：サーボモータ）と、
前記力付与手段による力を圧子に伝達する力伝達手段
（７：板ばね）と、前記力伝達手段によって伝達された
力を測定する力測定手段と（６４：ばね変位量セン
サ）、前記力測定手段によって測定された力と予め設定
された力との差分が生じた場合に、サーボゲインを所定
値分段階的に上げるサーボゲイン制御手段（６５５：サ
ーボゲイン演算回路）と、サーボゲイン制御手段によっ
て決定されたサーボゲインに基づいて力のフィードバッ
ク制御を行うフィードバック制御手段（６５２：荷重制
御回路）と、を備えたことを特徴としている。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、前記サーボ
ゲイン制御手段は、測定された力と予め設定された力と
の差分が、所定回数連続したフィードバックステップで
等しい場合に、前記サーボゲインを所定値分上げる制御
を行うように構成されていることを特徴としている。

【０００９】請求項１又は２記載の発明によれば、サー
ボゲイン制御手段により、測定された力と予め設定され
た力との差分が残った場合に、前記サーボゲインを所定
値分上げる制御が行われるので、従来の単純なＰ制御の
ように差分が残ることなく確実に解消できる。また、サ
ーボゲインを段階的に上げていくので、設定サーボゲイ
ンが大きすぎてオーバーシュートすることなく、より精
度の高い力制御を行うことが出来る。更に、高価なＰＩ
Ｄ制御を使用しなくとも、Ｐ制御だけでＰＩＤ制御以上
の高精度の制御が可能となることとなって、コスト削減
が図れる。

【００１０】ここで、試料表面に圧子により圧痕を形成
させることに基づいて試料の材料特性を測定する試験機
とは、例えば、硬さを測定する硬さ試験、圧痕形成中の
試料の電気抵抗を測定する試験機などであるが、これに
限らず、圧痕形成機構を具備する試験機全てを含む。力
付与手段は、例えば、モータ駆動や、油圧や空圧により
ピストンを駆動するものなどがあるが、これに限るもの
ではなく、力を付与可能なものであればどのようなもの
であってもよい。力伝達手段は、例えば、ばねやゴムな
どの弾性体である。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の圧痕形成機構において、前記サーボゲイン制御手段
は、前記サーボゲインが所定値を越えた場合に、当該サ
ーボゲインを所定値分戻す制御を行うように構成されて
いることを特徴としている。

【００１２】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこ
と、特に、サーボゲイン制御手段によって、サーボゲイ
ンが所定値を越えた場合に、当該サーボゲインを所定値
分戻す制御が行われるので、サーボゲインが大き過ぎて
目標荷重をオーバーしてしまうようなことを確実に防止
出来る。ここで、所定値分戻す制御とは、例えば、初期
設定値に戻す制御でもよいし、或いは直前のゲインに戻
す制御でもよい。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何
れかに記載の圧痕形成機構において、前記圧子の押込み
量を測定する押込み量測定手段（８：アーム位置セン
サ）を備え、前記サーボゲイン制御手段は、試料に対し
て所定の予備試験荷重を加えた際の前記圧子の押し込み
量と、前記力測定手段によって測定された力と、によ
り、サーボゲインの初期設定値を決定するように構成さ
れていることを特徴としている。

【００１４】請求項４記載の発明によれば、請求項１〜
３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、予備試験荷重を加えた際に、押し込
み量測定手段によって測定された押し込み量と、力測定
手段によって測定された力とにより、サーボゲインの初
期設定値が決定されるので、試料の硬さに応じて最適な
初期サーボゲインを決定することが出来ることとなっ
て、効率よく試験を行うことが出来る。即ち、初期サー
ボゲインを固定すると、試料によっては、小さすぎたり
或いは大きすぎたりすることとなって、エラーが残った
り或いはオーバーシュートが起こるが、初期サーボゲイ
ンを試料の硬さに応じて設定することにより、最適な初
期サーボゲインからの試験開始が可能となる。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何
れかに記載の圧痕形成機構において、前記力伝達手段
は、前記力付与手段による力により弾性変形し、前記力
測定手段は、前記力伝達手段の所定部位における所定の
基準位置からの弾性変形量を測定することにより求める
ように構成されていることを特徴としている。

【００１６】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
４の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、力伝達手段は、力付与手段による力
により弾性変形し、力測定手段は、力伝達手段の所定部
位における所定の基準位置からの弾性変形量を測定する
ことにより求めるので、ロードセルを使用せずに荷重負
荷制御が出来ることとなって、より安価な荷重負荷制御
が可能となる。また、本発明では力伝達手段の所定部位
における所定の基準位置からの弾性変形量により荷重制
御が行われるので、従来のロードセルを使用した荷重制
御のように、ロードセルの変形量が圧子の押し込み量
（即ち、硬さ）に含まれるという構造上の欠点から生じ
る補正制御を行わなくてもよく、荷重制御を容易に行う
ことが出来る。

【００１７】ここで、弾性変形量を測定する手段として
は、例えば、リニアスケール、コンデンサピック（電荷
容量型変位センサ）、ＬＶＤＴ（差動変圧器）、或いは
電気マイクロメータなどを使用するが、これに限るもの
ではなく、力伝達手段の弾性変形量を測定可能なもので
あればどのようなものであってもよい。所定の基準位置
とは、弾性変形していない初期状態の位置としてもよい
し、弾性変形中の任意の位置としてもよい。

【００１８】請求項６記載の発明は、硬さ試験機におい
て、請求項１〜５の何れかに記載の圧痕形成機構と、前
記圧痕形成機構によって試料表面に形成された圧痕の形
状を測定し、該測定結果に基づいて硬さを算出する硬さ
算出機構部と、を備えたことを特徴としている。

【００１９】請求項６記載の発明によれば、請求項１〜
５の何れかに記載の圧痕形成機構を具備することによ
り、より高精度且つ安価な硬さ試験機の提供が可能とな
る。ここで、硬さ算出機構部とは、例えば、圧痕の深さ
により硬さを算出する装置でもよいし、圧子によって形
成されたくぼみの大きさにより硬さを算出する装置など
でもよいが、これに限るものではなく、硬さを算出可能
な機構であればどのようなものでもよい。硬さ試験機
は、例えば、ロックウエル硬さ試験機、或いはビッカー
ス硬さ試験機などである。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明に係る
圧痕形成機構、及び硬さ試験機の実施の形態を詳細に説
明する。図１は、本発明に係る硬さ試験機の要部構成を
示す側面図であり、図２は、本発明の荷重アーム移動制
御部の要部構成を示すブロック図であり、図３は、本発
明に係る硬さ算出機構部の要部構成を示すブロック図で
ある。

【００２１】図１に示す硬さ試験機１は、試験機本体２
と、前記試験機本体２に回動自在に支持され、自由端部
に圧子３が取り付けられる荷重アーム４と、前記圧子３
の下方の試験機本体２に設けられ、試料ｓを載置する試
料台５と、前記荷重アーム４の下方に設けられ、前記荷
重アーム４の自由端側を回動させ、試料表面に圧痕を形
成させるための押圧力を作用させる力を付与する力付与
手段としての荷重アーム作動部６と、前記荷重アーム作
動部６が作動した際に発生した力を前記荷重アーム４に
伝達する力伝達手段としての板ばね７などにより構成さ
れた圧痕形成機構部１０を備えるともに、前記圧子３に
よって形成された圧痕の深さを測定する押込み量測定手
段としてのアーム位置センサ８と、このアーム位置セン
サ８による測定に基づいて硬さを算出する硬さ算出部９
（図３参照）などにより構成された硬さ算出機構部２０
を備えている。また、図示しないが、設定荷重を入力す
る荷重入力部も備えている。

【００２２】前記試験機本体２は、その内部に前記荷重
アーム作動部６と、荷重アーム作動部６の駆動源となる
電装部２１などを備えている。前記荷重アーム４は、試
験機本体２に十字ばね或いは転がり軸受等により回動自
在に支持されるとともに、自由端部には圧子３が着脱自
在に取り付けられている。また、この荷重アーム４は、
前記板ばね７と一体化されている。前記板ばね７と前記
荷重アーム４との間には、長手方向に沿って溝部７ａが
設けられ、圧子３側のその先端は開口している。

【００２３】試料台５は、その下面に角ネジ５１が設け
られ、この角ネジ５１によって前記試験機本体２に上下
動可能に取り付けられている。更に、試料ｓと圧子３が
接触した際に自動的に試料台５が停止するオートブレー
キ機構５２も備えている。前記荷重アーム作動部６は、
電気的作動手段としてのサーボモータ６１と、ボールね
じ６２と、前記ボールねじ６２の先端部に取り付けら
れ、前記板ばね７に固定される固定治具６３と、を備え
ている。従って、前記サーボモータ６１が駆動して前記
ボールねじ６２が上下動することにより、前記板ばね７
と一体化された荷重アーム４が回動するようになってい
る。前記固定治具６３は、前記荷重アーム４と荷重アー
ム作動部６を接続するもので、荷重アーム４の回動運動
と板ばね７の変形による板ばね７の軸と荷重アーム作動
部６の軸のミスアラインメントを吸収する機能を有し、
例えば、薄い板、ピアノ線等の線材、或いはナイフエッ
ジと十字ばねの組み合わせ、ユニバーサルジョイント等
を単独或いは併用して構成されている。

【００２４】この荷重アーム４の作動制御は、前記荷重
アーム４と前記板ばね７とに取り付けられ、ばね変形量
を測定する力測定手段としてのばね変位量センサ６４
と、このばね変位量センサ６４により測定したばね変形
量を入力し、該ばね変形量に基づいて前記ボールねじ６
２の作動制御を行う力付与制御手段としての荷重アーム
作動制御部６５と、により行われる。ばね変位量センサ
６４は、例えば、ガラススケールを光学的に読み取る変
位センサユニット（リニアスケール）からなり、前記ボ
ールねじ６２の下方向への作動によって、板ばね７と荷
重アーム４の溝部７ａの開き量からばね変位量を測定
し、当該ばね変位量信号をＡ／Ｄ変換した後、荷重アー
ム作動制御部６５に出力する。前記荷重アーム作動制御
部６５は、図２に示すように、サーボゲイン演算回路６
５１、荷重制御回路６５２、荷重アーム位置制御回路６
５３、Ｄ／Ａ変換器６５４、サーボモータ駆動回路６５
５、などを具備している。

【００２５】サーボゲイン演算回路６５１は、Ａ／Ｄ変
換されたばね変位量信号と、アーム位置信号とを入力
し、荷重の変化量と試料の変形量の変化からばね定数を
算出して初期サーボゲイン（Gain）を決定する。また、
サーボゲイン演算回路６５１は、所定回数のフィードバ
ックステップの間にエラー（Ｅｒｒ）の変化がない場合
にはサーボゲインを増加させ、また、サーボゲインが所
定値以上となったら、もとに戻す制御を行う。決定され
たサーボゲインは、荷重制御回路６５２に出力される。
なお、サーボゲイン演算回路６５１には、演算結果を記
憶するメモリ（図示省略）が設けられている。

【００２６】荷重制御回路６５２は、Ａ／Ｄ変換された
ばね変位量信号と、予め設定された目標荷重信号（サー
ボモータ指令データ）とを比較し、差分にあたる荷重制
御信号にサーボゲイン演算回路６５１で算出したサーボ
ゲインを付加してＤ／Ａ変換器に出力する。荷重アーム
位置制御回路６５３は、アーム位置センサからのアーム
位置信号を入力し、このアーム位置信号と、目標位置信
号とを比較し、差分にあたる位置制御信号にサーボゲイ
ンを付加してＤ／Ａ変換器６５４に出力する。Ｄ／Ａ変
換器６５４は、荷重制御信号、位置制御信号をＤ／Ａ変
換してサーボモータ駆動回路６５５に出力する。サーボ
モータ駆動回路６５５は、Ｄ／Ａ変換された荷重制御信
号、位置制御信号を入力し、微分要素と積分要素を加味
して電流増幅器６５５ａで増幅した後、サーボモータ６
１に出力する。

【００２７】前記アーム位置センサ８は、前記ばね変位
量センサ６４と同様に、例えば、ガラススケールを光学
的に読み取る変位センサユニット（リニアスケール）か
らなり、荷重アーム４の上下方向の移動量を測定する。
前記硬さ算出部９は、図３に示すように、増幅器９１、
Ａ／Ｄ変換器９２、演算回路９３、出力回路９４などを
具備している。

【００２８】増幅器９１は、アーム位置センサ８により
測定されたアーム位置信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換器９２
に出力する。Ａ／Ｄ変換器９２は増幅されたアーム位置
信号をＡ／Ｄ変換して演算回路９３に出力する。演算回
路９３は、Ａ／Ｄ変換されたアーム位置信号を内蔵され
た演算プログラムに従って演算して硬さを算出して出力
回路９４に出力する。出力回路９４は、算出された硬さ
データを所定の出力形式のデータに加工して硬さ試験機
１に接続された出力装置１１に出力する。ここで、出力
装置１１は、例えば、硬さデータを画面表示する表示装
置、或いは硬さデータを紙に印字して出力する印刷装置
等である。

【００２９】そして、サーボモータ駆動回路６５５によ
って増幅された荷重制御信号又はアーム位置制御信号が
サーボモータ６１に出力され、この荷重制御信号又はア
ーム位置制御信号に基づいてサーボモータ６１が駆動す
る。そして、このサーボモータ６１の駆動によりボール
ねじ６２が回転し、下方に作動する。その際、ボールね
じ６２に取り付けられた板ばね７と、これと一体化され
た荷重アーム４が下方に軸回転し、荷重アーム４の自由
端に取り付けられた圧子３が試料ｓと接触する。このと
き、板ばね７と荷重アーム４との間の溝部７ａの開き量
がばね変位量信号としてばね変位量センサ６４によって
計測され、このばね変位量信号が増幅されて、サーボゲ
イン演算回路６５１に出力される。

【００３０】次に、上記硬さ試験機によるオートブレー
キ制御動作について図４に示すフローチャートを用いて
説明する。まず、オートブレーキ処理が開始されると、
ステップＳ１で荷重アーム４の初期化がなされる。即
ち、中立位置となる位置に荷重アーム４が回動する。次
いで、ステップＳ２では、ばね変位量センサ６４、アー
ム位置センサ８がリセットされ、荷重アーム４の制御を
行うように初期設定がなされる。次いで、ステップＳ３
では、この状態でのばね変位量センサ６４、アーム位置
センサ８の読み取り値を入力する。次いで、ステップＳ
４では、荷重アーム位置制御回路６５３により、（１）
式に基づいてエラー（Err）を生成し、 Err＝Gain×アーム位置 （１） 当該エラーに基づくアーム位置制御信号をＤ／Ａ変換し
た後、サーボモータ駆動回路６５５を介してサーボモー
タ６１に出力する。

【００３１】次いで、ステップＳ５では、ばね変位量セ
ンサ６４で検出された力が予め設定したオートブレーキ
荷重に達したか否かが判別され、達したと判別された場
合には、ステップＳ６に移行してオートブレーキを作動
（ｏｎ）させ、ブレーキがかかった時点での力で力制御
への切り替えが行われた（ステップＳ７）後、ステップ
Ｓ８に移行する。一方、ステップＳ５で、ばね変位量セ
ンサ６４で検出された力がオートブレーキ荷重に達して
いないと判別された場合には、ステップＳ８にそのまま
移行する。ステップＳ８では、ばね変位量センサ６４で
検出された力値が精度チェックを行う力か否かが判別さ
れる。具体的には、力値が初期試験力の所定の割合より
も大きいか否かが判別され、大きいと判別された場合に
は、ステップＳ９に移行するが、小さいと判別された場
合には、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ９に移
行した場合、ここでは、荷重アーム４の位置が試験力精
度を保証できる範囲内か否か判別する。即ち、荷重アー
ムの水平位置からのずれが予め設定された試験力精度範
囲以内かどうか判別する。そして、荷重アームの位置が
試験力精度範囲内にない場合には、ステップＳ１１に移
行してサーボモータ６１が停止して処理が停止する。

【００３２】一方、荷重アーム４の位置が予め設定され
た試験力精度範囲以内にある場合には、ステップＳ１２
で初試験力まで力を加えた後、ステップＳ１３で試験力
まで加え、所定の時間経過後、ステップＳ１４で再び初
試験力まで力を戻し、ステップＳ１５で硬さ値算出した
後、当該硬さ値の表示を行う。また、ステップＳ８の結
果、ステップＳ１０に移行した場合、ここではオートブ
レーキが作動中か否かが判別される。そして、オートブ
レーキ作動中でないと判別された場合には、ステップＳ
３に移行し、ステップＳ３以降の処理が再び行われる。
一方、オートブレーキが作動中であると判別された場合
には、ステップＳ１６に移行する。ステップＳ１６で
は、ブレーキ保持時間以内か否かが判別され、ブレーキ
保持時間以内でないと判別された場合には、ステップＳ
３に移行してステップＳ３以降の処理が再び行われる。
一方、ブレーキ保持時間以内であると判別された場合に
は、ブレーキがオフされ（ステップＳ１７）、目標荷重
を初期荷重に設定された（ステップＳ１８）後、ステッ
プＳ３に移行し、ステップＳ３移行の処理が再び行われ
る。

【００３３】次に、上記硬さ試験機による試験荷重制御
動作について図５に示すフローチャートを用いて説明す
る。まず、電源投入されると、ステップＳ２１で、各変
数の初期化がなされる。具体的には、サーボゲイン（Ga
in）、エラー（Err）、アーム位置（DIFP）、荷重（DIF
F）等のそれぞれの値が初期化される。荷重入力部（図
示省略）に目標荷重を入力する。次いで、ステップＳ２
２で、現状態のばね変位量（荷重）センサ６４およびア
ーム位置センサ８の値がサーボゲイン演算回路６５１に
入力され、この値がサーボゲイン演算回路６５１に内蔵
されたメモリ（図示省略）に記憶される（ステップＳ２
３）。これは、次回のルーチンの荷重制御に使用するた
めである。

【００３４】次いで、ステップＳ２４で、初期サーボゲ
イン決定のため、予め設定された予備試験荷重を試料に
印加する。そして、そのときのアーム位置がサーボゲイ
ン演算回路６５１に入力されると、（２）式により初期
サーボゲインが決定される。 Gain＝Ａ×（DIFF−荷重値）／（DIFP−アーム位置） （２） ここで、Ａ：任意の定数である。次いで、ステップＳ２
５では、エラー、即ち、実荷重値と目標荷重値の差が
（３）式によって算出され、Ｄ／Ａ変換される。 Err＝Gain×荷重値−TargetＦ （３） そして、ステップＳ２６では、エラーが残ったままか否
かが判別される。即ち、前回のフィードバックルーチン
で求めた比較用エラー（Err1）と今回のエラー（Err ）
との差分が「０」か否か判別し、「０」の場合には、ス
テップＳ２７に移行するが、「０」でない場合には、そ
のままステップＳ２８に移行する。ここで、エラーが残
った否かを判別する場合、所定回数（例えば、５回）の
フィードバックルーチンでエラーの差分が連続して
「０」となった場合に、エラーが残っていると判別して
もよい。また、サーボゲインは、段階的に上げるように
してもよい。

【００３５】ステップＳ２７では、サーボゲインを所定
値上げる処理を行った後、ステップＳ２８に移行する。
次いで、ステップＳ２８では、サーボゲインが許容上限
値を越えたか否かを判別し、許容上限値を越えた場合に
は、ステップＳ２９に移行して、サーボゲインを所定値
下げる処理を行った後、ステップＳ３０に移行する。一
方、許容上限値を越えていない場合には、そのままステ
ップＳ３０に移行する。

【００３６】次いで、ステップＳ３０では、試験力を保
持中か否かが判別され、試験力を保持中と判別された場
合には、ステップＳ３１に移行するが、試験力保持中で
はないと判別された場合には、ステップＳ３２に移行す
る。ステップＳ３２に移行した場合には、目標の試験力
になったか否かが判別され、目標の試験力となっていな
い場合には、ステップＳ２２に戻って再び処理を繰り返
して行うが、目標の試験力となった場合には、ステップ
Ｓ３３でタイマーをスタートした後、ステップＳ２２に
戻って、ステップＳ２２移行の処理を続行する。一方、
ステップＳ３０の判別の結果、ステップＳ３１に移行し
た場合、タイマーが保持時間となったか否かが判別さ
れ、保持時間となっていない場合には、ステップＳ２２
に戻って処理を続行するが、保持時間となった場合に
は、試験荷重負荷、保持を終了する。

【００３７】そして、前記試験荷重制御動作終了後、圧
痕の押込み深さがアーム位置信号としてアーム位置セン
サ８によって測定され、このアーム位置信号は、増幅器
９１により増幅され、Ａ／Ｄ変換器９２によりＡ／Ｄ変
換され、演算回路９３に出力される。次いで、演算回路
９３により、Ａ／Ｄ変換されたアーム位置信号は内蔵さ
れた演算プログラムに従って演算されて硬さが算出され
る。算出された硬さデータは、出力回路９４を介して所
定の出力装置１１から出力される。

【００３８】以上説明した本発明に係る圧痕形成機構１
０およびこの硬さ試験機１によれば、サーボゲイン演算
回路６５１により、エラーが所定回数（例えば、５回）
連続したフィードバックステップで等しい場合に、前記
サーボゲインを所定値分上げる制御が行われるので、従
来の単純なＰ制御のようにエラーが残ることなく確実に
解消できる。また、サーボゲインを段階的に上げていく
ので、設定サーボゲインが大きすぎてオーバーシュート
することなく、より精度の高い力制御を行うことが出来
る。

【００３９】更に、高価なＰＩＤ制御を使用しなくと
も、Ｐ制御だけでＰＩＤ制御以上の高精度の制御が可能
となることとなって、コスト削減が図れる。加えて、サ
ーボゲイン演算回路６５１によって、サーボゲインが所
定値を越えた場合に、当該サーボゲインを初期設定値ま
で戻す制御が行われるので、サーボゲインが大き過ぎて
目標荷重をオーバーしてしまうようなことを確実に防止
出来る。また、予備試験荷重を加えた際に、アーム位置
センサ８によって測定された押し込み量と、ばね変位量
センサ６４によって測定された力とにより、サーボゲイ
ンの初期設定値が決定されるので、試料の硬さに応じて
最適な初期サーボゲインを決定することが出来ることと
なって、効率よく試験を行うことが出来る。即ち、初期
サーボゲインを固定すると、試料によっては、小さすぎ
たり或いは大きすぎたりすることとなって、エラーが残
ったり或いはオーバーシュートが起こるが、初期サーボ
ゲインを試料の硬さに応じて設定することにより、最適
な初期サーボゲインからの試験開始が可能となる。

【００４０】また、板ばね７は、サーボモータ６１によ
る力により弾性変形し、ばね変位量センサ６４は、板ば
ね７の所定部位における所定の基準位置からの弾性変形
量を測定することにより求めるので、ロードセルを使用
せずに荷重負荷制御が出来ることとなって、より安価な
荷重負荷制御が可能となる。加えて、本発明では、従来
のロードセルを使用した荷重制御のように、ロードセル
の変形量が圧子の押し込み量（即ち、硬さ）に含まれる
という構造上の欠点から生じる補正制御を行わなくても
よく、荷重制御を容易に行うことが出来る。

【００４１】なお、上記実施の形態では、ばね変位量セ
ンサ６４、アーム位置センサ８として、ともにリニアス
ケールを使用したが、これに限るものではなく、例え
ば、コンデンサピック（電荷容量型変位センサ）、ＬＶ
ＤＴ（差動変圧器）、電気マイクロメータなどを使用し
てもよい。また、力伝達手段として、板ばねを例示した
が、これ以外のばねであってもよいし、また、ゴムなど
の弾性体でもよい。

【００４２】

【発明の効果】請求項１又は２記載の発明によれば、サ
ーボゲイン制御手段により、測定された力と予め設定さ
れた力との差分が、所定回数連続したフィードバックス
テップで等しい場合に、前記サーボゲインを所定値分上
げる制御が行われるので、従来の単純なＰ制御のように
差分が残ることなく確実に解消できる。また、サーボゲ
インを段階的に上げていくので、設定サーボゲインが大
きすぎてオーバーシュートすることなく、より精度の高
い力制御を行うことが出来る。更に、高価なＰＩＤ制御
を使用しなくとも、Ｐ制御だけでＰＩＤ制御以上の高精
度の制御が可能となることとなって、コスト削減が図れ
る。

【００４３】請求項３記載の発明によれば、請求項１又
は２記載の発明と同様の効果が得られることは無論のこ
と、特に、サーボゲイン制御手段によって、サーボゲイ
ンが所定値を越えた場合に、当該サーボゲインを所定値
分戻す制御が行われるので、サーボゲインが大き過ぎて
目標荷重をオーバーしてしまうようなことを確実に防止
出来る。

【００４４】請求項４記載の発明によれば、請求項１〜
３の何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、予備試験荷重を加えた際に、押し込
み量測定手段によって測定された押し込み量と、力測定
手段によって測定された力とにより、サーボゲインの初
期設定値が決定されるので、試料の硬さに応じて最適な
初期サーボゲインを決定することが出来ることとなっ
て、効率よく試験を行うことが出来る。即ち、初期サー
ボゲインを固定すると、試料によっては、小さすぎたり
或いは大きすぎたりすることとなって、エラーが残った
り或いはオーバーシュートが起こるが、初期サーボゲイ
ンを試料の硬さに応じて設定することにより、最適な初
期サーボゲインからの試験開始が可能となる。

【００４５】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
４に何れかに記載の発明と同様の効果が得られることは
無論のこと、特に、力伝達手段は、力付与手段による力
により弾性変形し、力測定手段は、力伝達手段の所定部
位における所定の基準位置からの弾性変形量を測定する
ことにより求めるので、ロードセルを使用せずに荷重負
荷制御が出来ることとなって、より安価な荷重負荷制御
が可能となる。また、本発明では力伝達手段の所定部位
における所定の基準位置からの弾性変形量により荷重制
御が行われるので、従来のロードセルを使用した荷重制
御のように、ロードセルの変形量が圧子の押し込み量
（即ち、硬さ）に含まれるという構造上の欠点から生じ
る補正制御を行わなくてもよく、荷重制御を容易に行う
ことが出来る。

【００４６】請求項６記載の発明によれば、請求項１〜
５の何れかに記載の圧痕形成機構を具備することによ
り、より高精度且つ安価な硬さ試験機の提供が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る硬さ試験機の要部構成を示す側面
図である。

【図２】本発明の荷重アーム作動制御部の要部構成を示
すブロック図である。

【図３】本発明に係る硬さ算出機構部の要部構成を示す
ブロック図である。

【図４】オートブレーキ機構の動作を説明するためのフ
ローチャートである。

【図５】試験荷重制御動作を説明するためのフローチャ
ートである。

【図６】従来の硬さ試験機の要部構成を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１ 硬さ試験機 ２ 本体部 ３ 圧子 ４ 荷重アーム ５ 試料台 ６ 荷重アーム作動部（力付与手段） ７ 板ばね（力伝達手段、ばね体） ８ アーム位置センサ ９ 硬さ算出部 １０ 圧痕形成機構部 ２０ 硬さ算出機構部 ６１ サーボモータ ６２ ボールねじ ６４ ばね変位量センサ（変形量測定手段） ６５ 荷重アーム作動制御部（力付与制御手段） ｓ 試料

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−125432（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−168534（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−340859（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−197432（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−4139（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−267437（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−175446（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−71649（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 3/42 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面に、圧子により圧痕を形成させ
   ることに基づいて試料の材料特性を測定する試験機に用
   いられる圧痕形成機構であって、 前記試料表面に圧痕を形成させる押圧力を圧子に作用さ
   せるための力を付与する力付与手段と、 前記力付与手段による力を圧子に伝達する力伝達手段
   と、 前記力伝達手段によって伝達された力を測定する力測定
   手段と、 前記力測定手段によって測定された力と予め設定された
   力との差分が生じた場合に、サーボゲインを所定値分段
   階的に上げるサーボゲイン制御手段と、 前記サーボゲイン制御手段によって決定されたサーボゲ
   インに基づいて力のフィードバック制御を行うフィード
   バック制御手段と、 を備えたことを特徴とする圧痕形成機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧痕形成機構において、 前記サーボゲイン制御手段は、測定された力と予め設定
   された力との差分が、所定回数連続したフィードバック
   ステップで等しい場合に、前記サーボゲインを所定値分
   上げる制御を行うように構成されていることを特徴とす
   る圧痕形成機構。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の圧痕形成機構にお
   いて、 前記サーボゲイン制御手段は、前記サーボゲインが所定
   値を越えた場合に、当該サーボゲインを所定値分下げる
   制御を行うように構成されていることを特徴とする圧痕
   形成機構。
4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れかに記載の圧痕形成
   機構において、 前記圧子の押込み量を測定する押込み量測定手段を備
   え、 前記サーボゲイン制御手段は、試料に対して所定の予備
   試験荷重を加えた際の前記圧子の押し込み量と、前記力
   測定手段によって測定された力と、により、サーボゲイ
   ンの初期設定値を決定するように構成されていることを
   特徴とする圧痕形成機構。
5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れかに記載の圧痕形成
   機構において、 前記力伝達手段は、前記力付与手段による力により弾性
   変形し、 前記力測定手段は、前記力伝達手段の所定部位における
   所定の基準位置からの弾性変形量を測定することにより
   求めるように構成されていることを特徴とする圧痕形成
   機構。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れかに記載の圧痕形成
   機構と、 前記圧痕形成機構によって試料表面に形成された圧痕の
   形状を測定し、該測定結果に基づいて硬さを算出する硬
   さ算出機構部と、 を備えたことを特徴とする硬さ試験機。